城市轨道供电系统与车辆电气设备(第八章)

第八章城市轨道供电系统与

车辆电气设备1主要内容>

城市轨道供电系统受流器辅助电源车辆电器第八章城市轨道供电系统与车辆

电气设备2F1

、F2

一城市电网发电厂

；B1一城市电网区域变电所；

B2

、B3

一城市电网区域变电所(或地铁主变电所);

B4、B5

一地铁牵引变电所；

B6一地铁降压变电所■城市电网一次电力系统和地铁供电系统第一节城市轨道供电系统图8-1

城市电网一次电力系统和地铁供电系统钢轨3■:牵引供电系统城市轨道交通电力牵

引

(electrictraction

ofurbanrailtransit)

以电力系统城市电网

的电力为动力源，在

车辆上将电能转换为

机械能，从而牵引列

车组在轨道上运行的

一种城市交通牵引动

力形式。图8-2城市轨道交通电力牵引系统+1一牵引变电所；2—馈电线；3—接触网；4—电动车组；5—钢轨；6—回流线；7—电分段。第一节城市轨道供电系统由城市电网来4电动车组由牵引供电系统供给电能，驱动车辆上的电动机，产生牵引力牵引在轨道上行驶的列车组。■地铁牵引供电系统各部分的功能主要有以下几个方面：>牵引变电所：供给地铁一定区域内牵引电能的变电所。>接触网(或接触轨):经过电动列车的受电器向电动列车供给电能(北京、

天津地铁采用接触轨方式，上海地铁采用架空接触网方式)。>馈电线：从牵引变电所向接触网输送牵引电能的导线。>回流线：用以供牵引电流返回牵引变电所的导线。>电分段：为方便检修和缩小事故范围，将接触网分为若干段。>轨道电路：列车行走时，利用走行轨作为牵引电流回流的电路。直流

牵引系统主电路及其工作原理。第

一

节

城

市

轨

道

供

电

系

统5■

地铁动力照明供电系统各个部分的功能主要有以下

几个方面：>降压变电所：将三相电源进线电压变为三相380V

交流电，降压变电所供电的主要用电设备有风机、水泵、照明、信

号、通信、防灾、报警设备等。>

配电所(室):配电所(室)仅起到电能分配作用。降压变电所通过配电所(室)将三相380V交流电和单相220V交流电分

别供给动力照明设备，各配电所(室)对本车站及其两侧区

间动力和照明等设备配电。>

配电线路：配电所(室)与使用设备之间的导线。第一节城市轨道供电系统6■变电所(室):>电气主结线：变电所的电气主结线是指由变压器、断路器、隔离开关、

母线等及其连接导线所组成的接受和分配电能的电路。电气主结线反映了变电所(室)的基本结构和功能。>主变电所(室):主变电所是由上一级的城市电网区域变电所获得高压(如110kV

或220kV)电能，经降压后以中压电压等级供给牵引变电所和降压变电所的一种地铁变电所(室)。>牵引变电所(室):牵引变电所从城市电网区域变电站或地铁主变电所

(室)获得电能，经过降压和整流变成所需要的直流电。>

降压变电所(室):从城市电网区域变电站或主变电站获得电能并降压

变成低压交流电。第

一

节

城

市

轨

道

供

电

系

统7■

接触网在地铁列车运行过程中，电能从牵引变电所经馈电线送到接触网或接触轨，再从接触网通过地铁列车的受电器送到电动列车，再经过走行轨道、回流线流回到牵引变电所。由接触网或接触轨、馈电线、轨道和回流线组成的供电网络总称为牵引网，

接触网是牵引网中最主要的组成部分，其作用是通过它与受电器直接滑动接触，将电能不断地传送到电动列车，

保持电动列车的正常运行。接触网按其结构可分为接触轨式

和架空式两大类型。第一节城市轨道供电系统8>

接触轨：接触轨是沿走行

轨道一侧平行铺设的附加

第三轨，故又称第三轨。

电动列车(动车)侧面或底部伸出的受电器与第三轨接触取得电能，这种受电

器称为接触靴(集电靴)。

根据集电靴和第三轨配合

的方式，接触轨可分为上

磨式、侧磨式和下磨式三

种。图8-4为上磨式第三

轨。图8-4

上磨式第三轨1接触轨底座；2地铁用针式绝缘子；3接触轨扣板；4接触轨断面；

5防护罩支架；

6防护板(玻璃钢)第一节城市轨道供电系统9>接触网：城市轨道交通的接触网馈电方式中向车辆馈电的接触网设置在车辆的走形轨上方，沿走形轨中心呈“之”字形走向，距轨面最小

高度约4.0m

(洞外地面约5.0m),电动列车上部伸出的受电弓与之接

触取得电能。有柔性悬挂、弹性悬挂和刚性悬挂3种方式，地面上的接触网采用柔性悬挂，考虑到地面存在大气雷电的侵害，因此随接触网架设有一条

接地保护线，并且在站场等重要场所增设避雷器。在隧道内采用这种

悬挂方式约需要500mm

左右的安装空间，接触网张力约30KN,全补

偿。弹性悬挂和刚性悬挂只能适用于隧道内，弹性悬挂需要采用特制的专用弹性定位器

(西门子专利),接触网张力15N,

半补偿。第一节城市轨道供电系统10图8-5

柔性接触网(隧道内)示意图

图8-6地面(隧道外)柔性接触网示意图第一节城市轨道供电系统√柔性悬挂。11√弹性悬挂。这种悬挂方式仅适用于隧道，需要采

用一种悬挂专用的弹性定位器，接触网张力约15kN,

半补偿。√

刚性悬挂。架空刚性悬挂是城市轨道交通架空接

触网受流方式的一种，具有运行可靠

性高、结构简单、运营维护方便、安

装空间小等优点，适合在城市地铁隧

道内应用。架空刚性悬挂标准断面由

汇流排、接触线、绝缘子、支持结构

等组成，典型断面见图8-7。第一节城市轨道供电系统图8-7

架空刚性悬挂典型断面示意图12简单掺铝钢轨0.1256400～7000(等效铜截面积约850)相对多≤90相对较小低小、系统构成导电部分材质单位电阻率(20℃)/2m²m-1实际截面积/mm2所需支撑点允许车辆最高运行速度/km:h-1在隧道中所需空间系统造价维护工作量复杂铜或铜合金线材0.0178约850;刚性为1400相对少≥120相对较大相对较高相对较大线路必须完全封闭，运行中发生突发性事件必须得到可靠停电通知后

或采用特殊方法方可组织乘客转移

或现场处理。小线路可以不完全封闭，运行中发生突发事件可以脱离接触网

组织乘客转移或现场处理。有一定影响，需要精心设计第一节城市轨道供电系统■表8-1接触轨和接触网馈电方式的比较主要经济、技术性能对城市景观的影响接触轨接触网安全型13

第二节

受流器

城市轨道交通车辆一般通过受流器与沿线路架设的导线滑动接触，从供电电网吸收电能。■城市轨道交通车辆的受流器有受电弓、旁弓和第三轨受电器等形式。■

受电弓的结构a)

单臂弓

b)

菱形双臂弓

C)交叉形双臂弓

d)Z形双臂弓14最低值/V标称值/V最高值/V500750900100015001800最低值/V额定值/V最高值/V500(400)750(600)900(720)

第二节

受流器

表8-2地铁直流牵引供电系统

(GB10411)表8-3城市无轨电车和有轨电车直流供电系统(GB5951)注：括号内的数值为非推荐值15主要经济、技术参数DC750VDV1500V峰值电流(2min间隔，6辆

编组时)/A7200～100003600～5000电压损耗大小杂散电流(迷流)影响士入小可承受的客流量相对小大车辆再生制动对电压的影响大相对小馈电方式第三轨(小客流时也可

以使用接触网)接触网设备国产化率除了个别设备外，

实现了国产化基本实现了国产化供电系统的综合造价基本相当基本相当

第二节

受流器

表8-5

DC750V和DC1500V

馈电制式其他技术指标的比较16

第二节

受流器

受电弓的结构与工作原理受电弓主要由受电滑板、活动构架、底架和传动机构四部分组成。>受电滑板与供电网直接接触，在滑动的同时接收电能，为了提高导电

性并减少接触磨耗，通常采用石墨和铜合金等材料制成，并分成几段，

以便磨损后定期更换。>

活动构架使受电滑板有一定自由度，保证其对供电网线具有的良好追随性。>城市轨道交通车辆通常采用结构简单、重量较轻的“弹簧上升、气压

下降”式受电弓，传动机构包括升弓弹簧、降弓气缸、锁定装置。升

弓时，锁定装置的气缸送入压缩空气后解锁，受电弓依靠弹簧力上升，

并使受电滑板以5kg左右的压力紧贴供电网架线。降弓时，压缩空气

送入降弓气缸，使受电弓克服弹簧力下降、折叠后锁定。171一底架组装

;2一阻尼器组装；3一平衡杆组装；4一拉杆组装；5一肘接电流连接组装；6一下臂杆组装；7—上

框架组装；8一弓头组装；9一弓头电流连接组装；10一阀箱；11一底架电流连接组装；12一降弓位置指示器；13一气囊组装；14一气路组装(含ADD自动降弓装置);15一绝缘子组装■

以成都地铁1号线受电弓为例介绍受电弓的结构和工作原理。第

二

节

受

流

器184底架由4根矩形无缝钢管组焊而成。底架上安装有阻尼器，以缓解在降弓时受电弓运动部分(铰链机构与弓头)对底架及车顶的冲击。>铰链系统铰链系统由下臂杆组装、上框架组

装和拉杆组装构成。下臂杆由无缝

钢管组焊而成，上框架由铝管组焊

而成。上框架上安装有对角线杆，用于增加上框架的刚度。铰链系统

与底架一起构成受电弓的四杆机构。

受电弓弓头转轴的运动轨迹如图8-

第二节

受流器

>

底架图8-11

受电弓弓头转轴的运动轨迹11。19

第二节

受流器

>

气囊升弓装置气囊升弓装置主要由两组在受电弓横向上对称布置的气

囊、蝴蝶座以及钢丝绳构成。其特点是外观美观、结构简单以及质量较轻。>

弓头弓头由滑板、

弓角、

弓头转轴和弓头悬挂装置等构成。滑板采用长800mm

、宽60mm

的浸金属碳滑板，可以承受短

时最大电流4000A

的要求；滑板内设置ADD

(自动降弓装

置)气道，并在国内首次采用硅胶气管。弓头悬挂装置使

弓头具有一定的自由度。20气阀箱安装在受电弓底架上，

是受电弓气路的控制装置，主

要集成了过滤阀、精密调压阀、

单向节流阀和安全阀，用于对

受电弓气路的过滤、压力调整、

流量控制及安全保护，可以用

来精确调整受电弓的升、降弓

时间和与接触线之间的接触压

力。由车辆进入受电弓的压缩空气

在经过气阀箱后被分为两条支

路：

一条支路通向升弓气囊，用于控制受电弓的升、降弓；另一条支路通向ADD,用于监

测和反馈滑板运行状态，执行

故障情况下的自动保护功能。

第二节

受流器

气阀箱与气路图8-12成都地铁1号线车辆受电弓的气路工作原理图1一过滤阀；2一升弓节流阀；3一调压阀；4一压力表；5一安全阀；6—降弓节流阀；7一气囊；8一快排阀；9一ADD截止阀；10-ADD试验阀；11一滑板；12一压力开关21

第二节

受流器

成都地铁1号线受电弓的工作原理成都地铁1号线车辆受电弓的升、降弓动作主要通过空气回路进行控制。>当司机在司机室按下升弓按钮，供风单元内的脉冲电磁阀得电时，压缩空气通过受电弓气阀箱进入气囊升弓装置，气囊膨胀抬升，并带动钢

丝绳对下臂杆产生升弓转矩；弓头在下臂杆的驱动下向上升起，直到

弓头上的滑板与接触线接触并保持在设定的接触压力下。>弓头与接触线接触后，受电弓集取的电流将依次通过滑板、弓头电流

连接组装、受电弓框架等传导到底架，最后由底架上的接线端、与接

线端相连接的主电缆将电流传送到车内受流系统。>当按下降弓按钮时，脉冲电磁阀失电，车辆对受电弓的供风被切断，

受电弓气路中的压缩空气通过脉冲电磁阀排向大气，受电弓靠自重下降，脱离与接触线的接触，从而使接触网与车辆之间的电源供应被切

断。受电弓最后下降至弓头转轴保持在受电弓底架的两个橡胶止挡上。22

第二节

受流器

■

j离线和受流质量

>离线的概念接触网和受电弓是两个自成独立体系的弹性系统结构，但在运行中又要求它们的位移随时都处于协调一致。受电弓以规定的压力，维持和

导线接触，当接触压力为零时，受电弓就会脱离接触导线，叫作离线。>离线率通常把一定区间内离线总的时间和走行时间的比例，叫作离线率。离线率是判断受流质量的重要指标，

一般应限制在5%--10%。K₅=ZT/T>引起离线的原因主要有：√

由于导线弯曲引起离线；√由于导线中存在有硬点而产生的离线；√

由于接触网悬挂点引起的离线，23以广州地铁三号线为例。广州地铁三号线是国内第一条最高运行速度120

km/h的快速地铁线路，对接触网的系统性能提出了更高的要求。广州地铁三号线在二号线的基础上，架空刚性悬挂采取了如下技术创

新：√

国内首次采用“扁平式150mm²铜银接触线”技术，解决快速运行

时大电流及大弓网接触面积的要求。√

国内首次采用“膨胀元件锚段关节”技术，同时将锚段长度由250m

延长至300m,改善了锚段关节弓网受流薄弱环节，克服了快

速运行时的离线问题。√

国内首次采用“近似全正弦波”形布置、

“6m

标准跨距”、

“中

心锚结与悬挂点合并”等技术，将架空刚性悬挂跨中弛度由4mm降为2mm

左右，改善了受流质量，满足了快速受流的要求。

第二节

受流器

受流质量的改善措施24>

受电弓的静态与动态接触压力：√所谓静态，是指受电弓在缓慢移动时，导线和受电弓产生的加速度很小，惯性效应可以忽略不计。√如果在运行过程中，它们彼此作用产生的加速度明显增大，引起的惯性力对运动有着明显的影响，这时的受电弓压力，称为动态接触压力。》受电弓参数对动态特性的影响受电弓参数，主要指其质量、弹簧、刚度、阻尼的大小。它们对于受电弓的动态特性起

着决定作用。√质量：减少质量是减小惯性，提高受电弓跟随能力的重要途径。√

滑板弹簧：减小滑板弹簧刚度可适当地改善受电弓的性能。√

阻尼：滑板阻尼增加时，受电弓低频响应可得到较大的改善，但高频响应变差；

框架阻尼增加时使低频响应变坏，而高频响应有所改善；干摩擦有利于遏止受电

弓危险的谐振。√框架对基础的弹簧刚度√

悬挂方式：必须满足：①受电弓能在较大的高度范围内(0.5～2m)工作；②能在工作范围内提供一个固定的抬升力。

第二节

受流器

静态和动态特性25整流器三相

变

压

器逆变器中间直流环节直流斩波器輪入

滤

波

器城市轨道交通车辆的辅助电源装置，除了供给车辆控制、照明、蓄电池充电所需要的各个等级直流电压外，还供给空压机、空调装置等辅助电动机所需要的交流三相50Hz、380

V电能。辅助电源包括静止辅助逆变器、电池组及DC/DC

变换器。静止辅助逆变器的原理如图8-7所示。第

三

节

辅

助

电

源图8-7城市轨道交通车辆静止辅助电源原理框图十DC1500

VAC380VDC110V十260车用辅助电源装置的要求>电压稳定城市轨道交通车辆由接触网或第三轨供电，电源电压的波

动范围可达额定电压的-33%～+20%>

变换功率电流城市轨道交通车辆通过DC/DC

变换器和DC/AC

逆变器将高压直流电变换成车内所需的低压直流电、低压单相或三相交流电。>

电路隔离辅助电源装置应在低压电路和高压电路之间实现电气隔离。第

三

节

辅

助

电

源27

第

三

节

辅

助

电

源■

辅助电源装置主电路的结构型式(a)

直接三相PWM逆变器

(b)

直接12相PWM逆变器

(c)

斩波器和逆变器组合(a)(b)(c)28城市轨道辅助逆变器的电路构造有两种型式：双逆变器型和单逆变器型。双逆变器型又有串联型与并联型。单逆变器型有先升/降压后逆变型和直接逆变型。这些逆变器均采用二电平逆变方式。>对双逆变器型的评价。√优点：开关频率低，仅150Hz

。因此，开关损耗小，逆变器效率高；输出电压为12阶梯波，电压的最低次谐波为11次。因此，对输出滤波器要求低。可以把较低电压的电力电子器件用于较高电源电压的逆变器。√缺点：电路复杂，使用器件多。两台逆变器串联，动态均压要求高，故障率高。>对单逆变器的评价。√优点：电路简单，使用器件少，可靠性高。PWM

调制，输出电压的谐波含量小，而且

可以设计优化的PWM

调制，使谐波含量达到要求。逆变器电压输出先经交流滤波网络

滤波后输入隔离变压器。因此，输入变压器电压的谐波含量低，变压器中谐波损耗小。

变压器结构简单，无需特殊设计。√

缺点：开关频率较高，相对于双逆变器方案，开关损耗较大，逆变器效率较低。功率电子器件(如IGBT)换流时承受的du/dt较大，特别是在高电压情况下(DC1500V

供电系统再生制动时，网压可达2000V)。

目前城市轨道交通车辆的辅助逆变器多数采用单逆变器

型

.第

三

节

辅

助

电

源递变器的电路构造29直流回路斩波器

滤波器

三相逆相器输出变压器0平

:30V/50H门控制触发及

关断脉冲数字实际值模拟实际值模拟监控录实际值与设定值指令与显示外部数据总线静止逆变器的

主电路静止逆变器由线路

滤波器、斩波器、

直流回路滤波器、

电压型三相逆变器、输出隔离变

压器及整流器(仅

A车有，图中未画

出)等部分组成。图8-18为静止逆变

器的主电路原理框图。

图8-18静止逆变器的主电路原理框图第

三

节

辅

助

电

源C-PAC

总线

耦合

电容动力机组与最终级逆变器控[制信号调

节指示UE=1500VDC线路滤波器实

控值器际制记F-PACP-PACI-PACPCRT60ADA11ZE1130口

石PDA口

比静止逆变器的控制逆变器由独立的微机控制，其控制原理参见图8-19。第

三

节

辅

助

电

源图8-19

静止逆变器控制原理图1500

vDC直流

负载31

第三节

辅助电源

静止逆变器控制PAC系统有4个功能块>电源功能块(P-PAC):

提供控制电源及斩波、逆变器的触发

和关断脉冲。>通信功能块(C-PAC):

传输逆变器及列车上的各种信号，

寄存过程参数实际值。>接口功能块(I-PAC):

确定电参数所需值，监控逆变器电压、电流、温度、延时时间及工作过程，它包括中央单元、通道、转换单元，过程数据显示及记录等模块。>快速保护和控制功能块(F-PAC):控制逆变器工作过程，寄

存过程参数中实际值的模拟量，逆变器快速保护。它包括实际值寄存，模拟监控，逆变器控制单元等模块。32

第三节

辅助电源

蓄电池>在城市轨道交通车辆中，蓄电池组